喬紅：讓機(jī)器人成為人類親密朋友

楊琴冬子

目前使用機(jī)器人制造企業(yè)正日益增多，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)入爆發(fā)式增長期。在珠三角地區(qū)，機(jī)器人使用年增速已達(dá)到30%到60%，不少制造企業(yè)掀起了一股機(jī)器人使用熱潮。

喬紅 ，1964年8月出生，上海人，九三學(xué)社社員。1995年畢業(yè)于英國De Montfort大學(xué)，工學(xué)博士。現(xiàn)任中科院自動化所機(jī)器人中心副主任、中科院自動化所-中科大聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任，博士生導(dǎo)師。

工廠內(nèi)，從事各種工作的不再是穿著沾滿油污工裝的工人，而是干凈整潔的機(jī)器人。如今，這一經(jīng)常出現(xiàn)在科幻大片里的場景，正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。未來機(jī)器人將會怎樣？中國科學(xué)院自動化研究所機(jī)器人理論與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、九三學(xué)社社員喬紅帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)給出了答案。他們“基于環(huán)境約束和多空間分析的機(jī)器人操作理論研究”，因在機(jī)器人操作上提出一系列原創(chuàng)思想，獲得2014年國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

喬紅及其團(tuán)隊(duì)從機(jī)器人“手、眼、腦”三個(gè)方面互補(bǔ)開展研究，層層遞進(jìn)。“手、眼、腦”的融合提高了機(jī)器人操作精度和智能水平，對機(jī)器人技術(shù)研究具有重要意義。這三部分的研究連起來才能真正了解機(jī)器人的操作原理，做到精密感知，不僅是工業(yè)操作上，還體現(xiàn)在智能應(yīng)用上，并為未來機(jī)器人發(fā)展打開了一個(gè)窗口。

“手、眼、腦”的融合

工業(yè)機(jī)器人通過“手”完成抓取、裝配、定位等操作，借助靈敏的傳感器，機(jī)器手實(shí)現(xiàn)較高精度的操作。雖然工業(yè)級裝備標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將誤差控制在0.02～0.04毫米內(nèi)，但在一些要求極高的操作中，精度仍然不夠。一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，喬紅發(fā)現(xiàn)，傳感器開關(guān)并沒有打開，而機(jī)器人的“手”還是準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了裝配。這是偶然，還是某種理論上的必然？

這次發(fā)現(xiàn)，讓喬紅琢磨，是否能不用傳感器，也讓機(jī)器人照常工作。反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，喬紅發(fā)現(xiàn)將機(jī)器人的系統(tǒng)映射到另外一個(gè)空間，約束對系統(tǒng)形成了廣泛存在的“吸引域”，可以設(shè)置出一個(gè)不依賴于傳感器的精確裝配、抓取和定位的解決方案。就此，喬紅提出了“環(huán)境吸引域”的概念、存在條件以及相應(yīng)的依賴吸引域，實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)算結(jié)果。

進(jìn)一步研究后，喬紅意識到要提高機(jī)器人的智能性和可靠性，不能只關(guān)注“手”，還需要有視覺與“手”的聯(lián)動。為此，基于模式識別技術(shù)，喬紅發(fā)現(xiàn)相關(guān)的“吸引域”。喬紅說，“吸引域”的理念，使我們同時(shí)關(guān)注到機(jī)器人操作時(shí)觀察物體的視覺“吸引”和它運(yùn)動時(shí)抓取動作的“吸引”，這就像人的活動，手和眼是融合的，而不是割裂開的?！碍h(huán)境吸引域就是在新的空間，約束對被控制對象形成了一個(gè)部分凸起的‘域，被控制對象好比是‘豆子。在新的空間，不管‘豆子的初始狀態(tài)怎樣，只要它掉在‘域里，它都會落在‘域的最底部。舉一個(gè)形象的例子，在熟悉的黑暗環(huán)境下，人看不到鎖孔卻依然能夠把鑰匙準(zhǔn)確地插到鎖孔里，而這個(gè)動作發(fā)生之前并沒有經(jīng)過準(zhǔn)確測量，這個(gè)動作是具有某種柔性特質(zhì)的。我們利用‘吸引域概念研究智能機(jī)器人就是模仿人類不需要精確測量卻能準(zhǔn)確做出動作的過程。黑暗中不管機(jī)器人初始的動作是什么樣子，經(jīng)過幾次練習(xí)之后，就可以正確地把鑰匙插進(jìn)鑰匙孔里。”喬紅說，這樣，我們只要在新的空間設(shè)計(jì)出機(jī)器人策略，就可以在物理空間實(shí)現(xiàn)一系列不依賴傳感器的高精度操作，關(guān)鍵是如何尋找這樣的空間和給出存在這樣“域”的物理系統(tǒng)條件。這樣的系統(tǒng)的確存在，尤其是在制造業(yè)廣泛需求的裝配、抓取和定位中。更加有趣的是，“吸引域”同樣存在于機(jī)器人的視覺分析中，通過多個(gè)“吸引域”的融合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的“手”“眼”融合，既可降低對視覺信息精度的要求，也可提高機(jī)器人操作的智能和效率。他們進(jìn)一步開展了機(jī)器人“腦”的研究，同樣發(fā)現(xiàn)了“吸引域”。同時(shí)，機(jī)器人與生物學(xué)的交叉和融合形成了本項(xiàng)目另一重要線索，并引領(lǐng)著喬紅向更遠(yuǎn)的方向發(fā)展。

1999年她的這一“無傳感器吸引域”概念被美國媒體稱為“喬的概念”廣泛報(bào)道，并且認(rèn)為“這個(gè)工作是現(xiàn)有自動裝配技術(shù)的重要發(fā)展，因?yàn)樗谝淮翁峁┝瞬挥脗鞲衅骱推渌O(shè)備在三維空間實(shí)現(xiàn)高精度的裝配，同時(shí)它也是在計(jì)算機(jī)和機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究課題—不確定性系統(tǒng)研究的重要發(fā)展”。

基于計(jì)算機(jī)算法、軟件操作的機(jī)器人活動，在新情境下的反應(yīng)有一定局限，而人類行為則完全不同?！耙源蛴鹈?yàn)槔?，人類每次的接發(fā)球都可能不同，但在經(jīng)過一段時(shí)間練習(xí)后，雖然來球的方向和路徑變化多樣，我們卻一般能夠越打越好，同時(shí)不影響反應(yīng)速度?！眴碳t解釋說，其中很重要的一個(gè)原因是，人和機(jī)器人在學(xué)習(xí)和理解上有重大區(qū)別：人是基于神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)知和反應(yīng)的。那么，能否研究機(jī)器人的“大腦”，并由此來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人本體的融合控制？為此，研究團(tuán)隊(duì)與多學(xué)科合作，開展機(jī)器人“神經(jīng)計(jì)算和類人神經(jīng)系統(tǒng)”的理論研究。喬紅對未來機(jī)器人的研究有一個(gè)大膽設(shè)想，即通過對“類人神經(jīng)系統(tǒng)”的理解，提出如何提高機(jī)器人學(xué)習(xí)能力的理論途徑。

喬紅說，機(jī)器人研究的“手、眼、腦”三部分連起來，能夠進(jìn)一步了解機(jī)器人操作原理?！皺C(jī)器人未來發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是越來越接近生物，有包括認(rèn)知、情緒、邏輯、動作在內(nèi)的一系列類人化的特征。機(jī)器人不再是冰冷的機(jī)器，而將擁有人類的優(yōu)美特性?！?/p>

學(xué)術(shù)既要“沉下去”，

又要“走出來”

喬紅，這個(gè)生在上海、長在西安的女人，既有著上海女人吳儂軟語的溫柔， 又有著西北女子那種堅(jiān)忍不拔的毅力。她的學(xué)術(shù)生涯掛滿了一張張漂亮的成績單……

1997～2002年受聘為香港城市大學(xué)助教授；

2002～2004年在英國曼徹斯特大學(xué)獲永久教職；

2004年通過中科院海外杰出人才計(jì)劃引進(jìn)回國，中科院“百人計(jì)劃”研究員，精密感知與控制中心首席科學(xué)家；

2007年獲得“國家杰出青年基金”；

2009年入選“新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選”；

2011年獲《科學(xué)中國人》年度人物；

2012年獲北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、國務(wù)院政府特殊津貼。

2013年作為首位大陸學(xué)者入選國際IEEE機(jī)器人與自動化學(xué)會行政委員會；

2015年，獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)……

沉甸甸的獎(jiǎng)項(xiàng)背后是辛勤的汗水。2014年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)從立項(xiàng)到結(jié)題總平均時(shí)間要10.7年，喬紅團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目達(dá)到12年。但是，理論研究的成功就是終點(diǎn)了嗎？喬紅的回答是“不”。她說，“‘機(jī)器人革命有望成為‘第三次工業(yè)革命的一個(gè)切入點(diǎn)和重要增長點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)格局，而且我國將成為全球最大的機(jī)器人市場。目前使用機(jī)器人制造企業(yè)正日益增多，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)入爆發(fā)式增長期。在珠三角地區(qū)，機(jī)器人使用年增速已達(dá)到30%到60%，制造企業(yè)掀起了一股機(jī)器人使用熱潮?！蓖瑫r(shí)，她還看到機(jī)器人的未來，在2014年九三學(xué)社中央第三次科學(xué)座談會上，她說，“現(xiàn)在大部分的機(jī)器人還不像電影中演示的那樣超智能，但是它們已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)和生活，并已經(jīng)作出了一定貢獻(xiàn)?！?/p>

2014年，習(xí)近平在兩院院士大會上說：“國際上有輿論認(rèn)為，機(jī)器人是‘制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人主要制造商和國家紛紛加緊布局，搶占技術(shù)和市場制高點(diǎn)。我國將成為機(jī)器人的最大市場，但我們的技術(shù)和制造能力能不能應(yīng)對這場競爭，我們不僅要把我國機(jī)器人水平提高上去，而且要盡可能多地占領(lǐng)市場。這樣的新技術(shù)新領(lǐng)域還很多，我們要審時(shí)度勢、全盤考慮、抓緊謀劃、扎實(shí)推進(jìn)?！?/p>

這番話鼓舞著喬紅在產(chǎn)、學(xué)、研“無縫對接”的道路上越走越遠(yuǎn)，逐步開始把機(jī)器人智能化研究成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變。在應(yīng)用方面喬紅團(tuán)隊(duì)與汽車制造廠商、大型機(jī)床集團(tuán)開展了廣泛合作，關(guān)鍵技術(shù)成果已經(jīng)在汽車關(guān)鍵零部件裝配、機(jī)器人核心部件制造以及深海探測領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，努力推進(jìn)國產(chǎn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)可靠、快速的高精度操作。

在喬紅當(dāng)前的機(jī)器人隊(duì)伍中，既有人形模樣的“安保機(jī)器人”，也有工業(yè)化設(shè)計(jì)的“汽車零部件高精度裝配機(jī)器人”等?！鞍脖C(jī)器人比人高一點(diǎn)，可以跟蹤人，如果認(rèn)識你就會說‘請進(jìn)，如果不認(rèn)識會請你配合跟他去登記，不配合還會報(bào)警?！眴碳t微笑著介紹，“機(jī)器人最大的問題是協(xié)調(diào)反應(yīng)的準(zhǔn)確性，目前最大的難點(diǎn)還是精度，更難的是又快又精，還有人無意識的快速反應(yīng)能力，怎么引入機(jī)器人系統(tǒng)，讓其更加智能?！睆墓I(yè)機(jī)器人到信息化機(jī)器人再到智能機(jī)器人，喬紅的研究團(tuán)隊(duì)將三者結(jié)合，讓機(jī)器人的手、眼和大腦越來越像人。

對于未來，喬紅充滿了憧憬。她有兩個(gè)夢想：一個(gè)是開展引入人的生物認(rèn)知機(jī)制的機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，使人和機(jī)器人能夠同感合作，并逐步向機(jī)器人成為人的朋友的夢想靠近；另一個(gè)是把多年的工業(yè)機(jī)器人理論研究推向廣闊的現(xiàn)代制造業(yè)。

（作者為九三學(xué)社中央宣傳部干部）